CN103647122A - 一种双端口垂直螺旋带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双端口垂直螺旋带通滤波器，该带通滤波器只包括一个输入端、一个输出端和两个四分之一波长的螺旋谐振器，所述的螺旋带通滤波器输入端和螺旋管L1的一端连接，螺旋管L1的另一端开路，在螺旋管L1中插入一金属导体A1，金属导体A1作用于螺旋管L1用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管L1与该金属导体A1形成一个螺旋谐振器，同时使螺旋管L2与该金属导体A2形成一个螺旋谐振器；连接金属导体A1和A2，在螺旋管L1和螺旋管L2之间加一个屏蔽隔板B1，用来控制两个螺旋谐振器的谐振耦合大小，屏蔽隔板B1窗口位置开在螺旋管下端口；该滤波器具有小尺寸重量轻、较高的无载Q值、低插入损耗、频响应性能好、抗噪性能好等优点。

Description

一种双端口垂直螺旋带通滤波器

技术领域

 本发明属于电子技术领域，它涉及一种螺旋带通滤波器，并具体涉及一种LTCC工艺的垂直螺旋谐振耦合带通滤波器。

背景技术

带通滤波器是一个允许特定频段的波通过,同时屏蔽其他频段波的设备。

在电子整机系统向小型化、轻型化方向发展的今天，在有效减少元器件的体积和重量的同时，又能很好地满足元器件的性能参数成为了现价段的一个重点。通过改变传统谐振器的耦合方式来提高带通滤波器的一些所需特性的方法也有很多，例如：2008年，TDK株式会社，薰树亚栏采用的一种可靠地获得所需特性的小型带通滤波器。该带通滤波器利用第一盘形谐振器和第二盘形谐振器，该谐振器有形成在其一个侧面上的激励电极；置于第一盘形谐振器与第二盘形谐振器之间的渐消型波导；和形成在第一盘形谐振器和第二盘形谐振器其他侧面上的电容性短片。电容性短片增强该带通滤波器的机械强度，因为两个盘形谐振器之间的耦合常数k因电容性短片而降低。通过电容性短片减小该带通滤波器的尺寸，但此方法降低的尺寸有限，并不能很好的满足整机小型化的今天。2009年，深圳先进技术研究院，王云峰、李磊等人采用一种谐振器耦合的带通滤波器，该带通滤波器由外部电容或外部电感耦合至少两个谐振器构成。谐振器将电感电容一体化构成谐振电路,利用和传统的埋入电容技术一样的方法将该谐振电路埋入印制电路板即可同时将电感和电容集成到一个有机基板层中,不需要额外第有机基板层来容纳电感,有效地达到了小型化的目的。2009年，国基电子(上海)有限公司，余志成、钟卓如等人采用的一种带通滤波器,由T型高通滤波器及与该T型高通滤波器串联的发夹线共振腔组成。该发夹线共振腔包括:第一发夹线带通滤波器,与该第一发夹线带通滤波器反向平行的第二发夹线带通滤波器,及连接该第一发夹线带通滤波器和第二发夹线带通滤波器的电容。该带通滤波器可达到良好的频带抑制效果,且带通滤波器的尺寸小、制作成本低,具有低插入损耗等优点。2012年，矽品精密工业股份有限公司，庄明翰、赖佳助等人采用一种交错耦合带通滤波器，该带通滤波器采用三阶交错耦合组构，具有第一共振器、第二共振器、以及第三共振器，其中，该第一共振器与该第三共振器之间产生有正的互感，且其中该第一共振器及该第二共振器之间产生的互感与该第二共振器及该第三共振器之间产生的互感具有相同的极性。该带通滤波器能够以磁场交错耦合组构产生高频阻带的传输零点。2012年，株式会社村田制作所，佐佐木宏幸、增田博志等人采用的一种层叠带通滤波器，该层叠带通滤波器既能抑制不参与跳跃耦合的LC并联谐振器的电容器电极与跳跃耦合用电容器电极之间所产生的不需要的寄生电容，又能实现整体的小型化。2013年，TDK股份有限公司，A·C·坤杜采用的一种多层带通滤波器，该多层带通滤波器具有第一谐振器，第二谐振器，以及第一谐振器和第二谐振器之间的耦合。该耦合通过第一谐振器和第二谐振器之间的间距或者耦合的分流电感控制。这类通过改变传统谐振器的耦合方式形成的带通滤波器，能够满足一些特性参数，但不能降低器件的体积，并不适用于在电子整机系统向小型化、轻型化方向发展的今天。

为了能更好的适用于电子整机系统小型化、轻型化，基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术制作的滤波器件是一种能够有效减少元器件的体积和重量的方法，作为使用低温共烧陶瓷（LTCC）工艺技术制作的带通滤波器已经有多种，例如：2006年，西安电子科技大学，肖智、张纪明等人采用平面螺旋电感设计制作了电容耦合带通滤波器，一种新型的基于低温共烧陶瓷技术(LTCC)的螺旋电感带通滤波器，滤波器的设计是利用螺旋电感的自谐振和谐振单元间的电磁耦合来实现。这种滤波器具有体积小，结构布局灵活的优点,可以很好的满足器件埋置的要求。2012年，华东交通大学，官雪辉、江山、刘海文等人采用的一种LTCC宽阻带带通滤波器,该滤波器由三个位于不同层上的不同形状的1/4波长短路阶梯阻抗谐振器组成，三个谐振器交错分布在LTCC基片之中，三个谐振器均在相邻层上加载短路的阶梯阻抗谐振器和电容贴片组合而成；三个谐振器的基频相同，而它们的二次谐波及高次谐波频率各不相同。其中，谐振器排列充分利用了LTCC的结构特点，三个谐振器分别位于不同的电路层上，实现交错分布，减小了电路的体积；此外，所用的四分之一波长谐振器形状不同,具有相同的基频而高次谐波频率各不相同,有效地抑制了滤波器的寄生通带,改善了滤波器的阻带特性。2013年，华南理工大学，章秀银、代鑫等人采用的一种基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，该带通滤波器包括两个四分之一波长谐振器，金属地板和一对馈电结构。谐振器和馈电贴片分布在四层导体层上。第一层是有大块馈电贴片和CPW馈电口的馈电层，第二层和第四层分布两个四分之一波长谐振器，第三层是接地层。馈电贴片采用宽边耦合的方式将能量传输到谐振器上。2013年，南京理工大学，戴永胜、方思慧等人采用的一种垂直交指型LTCC带通滤波器，该滤波器包括陶瓷基板，上表面金属壁、下表面金属壁和侧边金属壁，五层带状线层以及上下金属壁两端共面波导输入输出端口。然而，现在使用LTCC工艺制作的带通滤波器，是通过辐射贴片宽边耦合的方式将能量传输到谐振器，这种宽边耦合的方式在提高了该滤波器的选择性和阻带抑制性能，却没有很好的降低插入损耗和较好的提高无载Q值。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双端口垂直螺旋谐振耦合带通滤波器，本滤波器采用螺旋管耦合谐振，即窄边多耦合的方式将能量传输到谐振器，并通过LTCC低温陶瓷工艺实现等效集总电路模型。集总电路电感采用垂直螺旋管；集总电路电容采用辐射贴片耦合，最终形成等效电感电容的并联谐振。这种实现方式能够显著减小滤波器尺寸，并且很好的提高无载Q值和降低插入损耗；再通过不需要连接到接地层的方法，这种不需要连接到接地层的方法由电感和电容并联组成，通过磁场的耦合来消除不需要的频率成分，大大的提高此带通滤波器的抗噪性能和频响应性能。

本发明所采用的技术方案是：

一种双端口垂直螺旋带通滤波器，该带通滤波器只包括一个输入端、一个输出端和两个四分之一波长的螺旋谐振器，所述的螺旋带通滤波器输入端和螺旋管L1的一端连接，螺旋管L1的另一端开路，在螺旋管L1中插入一金属导体A1，金属导体A1作用于螺旋管L1用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管L1与该金属导体A1形成一个螺旋谐振器；输出端和螺旋管L2的一端连接，螺旋管L2的另一端开路，在螺旋管L2中插入一金属导体A2，金属导体A2作用于螺旋管L2用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管L2与该金属导体A2形成一个螺旋谐振器；连接金属导体A1和A2，在螺旋管L1和螺旋管L2之间加一个屏蔽隔板B1，用来控制两个螺旋谐振器的谐振耦合大小，屏蔽隔板B1窗口位置开在螺旋管下端口，由于螺旋管开路端的磁场低于螺旋管的下端口的磁场，使两个螺旋谐振器形成感性的耦合；其中没有接地端口，只通过下端口磁场的耦合，近似形成两个接地端，这种通过耦合形成的等效电感电容并联谐振，通过磁场的耦合来消除不需要的频率成分，从而提高此带通滤波器的抗噪性能和频响应性能。

进一步地，螺旋管（L1、L2)采取的是垂直螺旋结构，利用陶瓷叠片技术形成螺旋管。

进一步地，金属导体(A1、A2)采取的是圆柱形的导体金属芯，利用生瓷带打孔技术和通孔填充技术形成导体金属磁芯。

进一步地，螺旋带通滤波器由十层的陶瓷生瓷片叠压和一层屏蔽隔板形成。

进一步地，第一层生瓷片为空白层，第二到第九层生瓷片为印有银浆的生瓷片，第十层生瓷片为空白层；第一层生瓷片和第十层生瓷片，用于保护内层的金属结构。

进一步地，第二层到第九层生瓷片，都是通过丝网印刷技术形成带有不同电路结构的生瓷片；其中，第二层到第九层生瓷片之间的电路通过生瓷带打孔技术和通孔填充技术相连接。

进一步地，屏蔽隔板B1是导电热塑性塑料复合物，屏蔽隔板B1在螺旋管L1和螺旋管L2之间，通过调节屏蔽隔板B1的高度来调节螺旋管L1和螺旋管L2的谐振耦合大小。

该滤波器封装结构为(1.6mm×1mm×0.8mm)，具有高性价比、较高的无载Q值、小尺寸重量轻、低插入损耗、频响应性能好、抗噪性能好等优点，有利于批量生产。

本发明的有益效果是：

本发明是通过LTCC垂直螺旋结构耦合实现的带通滤波器，在实现同等技术指标前提下能够显著的减小器件的尺寸，同时，该螺旋带通滤波器通过无接地的方法，能有效的减小带内的插入损耗和增大带外的抑制，并且截止频率处的陡峭度很高，频率选择性很好，能够满足一般的民用要求。

本发明提供的双端口垂直螺旋带通滤波器具有高性价比、较高的无载Q值、小尺寸重量轻、低插入损耗、频响应性能好、抗噪性能好等特点，另外，本发明是基于LTCC工艺，性价比高，适合批量生产。

 

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。

图1 是本发明双端口垂直螺旋带通滤波器的原理图；

图2 是本发明具体实施方式所述的双端口垂直螺旋带通滤波器的结构示意图；

图3 是本发明具体实施方案所述的双端口垂直螺旋带通滤波器的整体示意图；

图4 是本发明具体实施方式所述的双端口垂直螺旋带通滤波器的仿真结果。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施案例进行具体说明：

如图1所示，本发明是采用简单螺旋谐振带通滤波器原型，其中通过耦合谐振器的电磁耦合等效于LC电路中电感电容并联。该带通滤波器只包括一个输入端1、一个输出端2和两个四分之一波长的螺旋谐振器，所述的螺旋带通滤波器输入端和螺旋管L1的一端连接，螺旋管L1的另一端开路，在螺旋管L1中插入一金属导体A1，金属导体A1作用于螺旋管L1用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管L1与该金属导体A1形成一个螺旋谐振器；输出端和螺旋管L2的一端连接，螺旋管L2的另一端开路，在螺旋管L2中插入一金属导体A2，金属导体A2作用于螺旋管L2用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管L2与该金属导体A2形成一个螺旋谐振器；螺旋管（L1、L2)采取的是垂直螺旋结构，利用陶瓷叠片技术形成螺旋管；金属导体(A1、A2)采取的是圆柱形的导体金属芯，利用生瓷带打孔技术和通孔填充技术形成导体金属磁芯；连接金属导体A1和A2，在螺旋管L1和螺旋管L2之间加一个屏蔽隔板B1，用来控制两个螺旋谐振器的谐振耦合大小，屏蔽隔板B1窗口位置开在螺旋管下端口，由于螺旋管开路端的磁场低于螺旋管的下端口的磁场，使两个螺旋谐振器形成感性的耦合；其中没有接地端口，只通过下端口磁场的耦合，近似形成两个接地端，这种通过耦合形成的等效电感电容并联谐振，通过磁场的耦合来消除不需要的频率成分，从而提高此带通滤波器的抗噪性能和频响应性能。

如图2所示，本发明双端口垂直螺旋带通滤波器由十层的陶瓷生瓷片叠压和一层金属隔离板形成。第一层生瓷片31为空白层，第二生瓷片32到第九层生瓷片33为印有银浆的生瓷片，第十层生瓷片310为空白层。第二生瓷片32到第九层生瓷片39之间的电路通过生瓷带打孔技术通孔填充实现。

如图3所示，本发明带通滤波器的封装结构 (1.6mm×1mm×0.8mm)，

其中螺旋带通滤波器只包括一个输入端1、一个输出端2和两个四分之一波长的螺旋谐振器。

如图4所示，该带通滤波器中心频率为1.616GHz，通带带宽为300MHZ，通带内的电压驻波小于1.5，在频率小于1.496GHZ大于1.838GHZ时滤波器的带外抑制大于-20db。

需要注意的是，上述具体实施案例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施案例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双端口垂直螺旋带通滤波器，该带通滤波器只包含一个输入端、一个输出端和两个四分之一波长的螺旋谐振器，所述的螺旋带通滤波器输入端和螺旋管（L1）的一端连接，螺旋管（L1）的另一端开路，在螺旋管（L1）中插入一金属导体（A1），金属导体（A1）作用于螺旋管L1用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管（L1）与该金属导体（A1）形成一个螺旋谐振器；输出端和螺旋管（L2）的一端连接，螺旋管（L2）的另一端开路，在螺旋管（L2）中插入一金属导体（A2），金属导体（A2）作用于螺旋管（L2）用于提高螺旋管的电感量，同时使螺旋管（L2）与该金属导体（A2）形成一个螺旋谐振器；连接金属导体（A1）和（A2），在螺旋管（L1）和螺旋管（L2）之间加一个屏蔽隔板（B1），屏蔽隔板（B1）窗口位置开在螺旋管下端口。

2.根据权利要求1所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述螺旋管（L1、L2)采取的是垂直螺旋结构。

3.根据权利要求1所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述金属导体(A1、A2)采取的是圆柱形的导体金属磁芯。

4.根据权利要求 1-3 所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述螺旋带通滤波器由十层的陶瓷生瓷片叠压和一层屏蔽隔板形成。

5.根据权利要求4 所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述第一层生瓷片为空白层，第二到第九层生瓷片为印有银浆的生瓷片，第十层生瓷片为空白层。

6.根据权利要求4 所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述第二层生瓷片到第九层生瓷片，都是通过丝网印刷技术形成带有不同电路结构的生瓷片；其中，第二层生瓷片到第九层生瓷片之间的电路通过生瓷带打孔技术和通孔填充技术相连接。

7.根据权利要求4所述的双端口垂直螺旋带通滤波器，其特征在于，所述屏蔽隔板（B1）是导电热塑性塑料复合物，屏蔽隔板（B1）在螺旋管（L1）和螺旋管（L2）之间，通过调节屏蔽隔板B1的高度来调节螺旋管（L1）和螺旋管（L2）的谐振耦合大小。

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